Quantencomputer

Ein Lichtteilchen als Rechner: Forscher in Taiwan haben einen Computer auf Basis nur eines Photons entwickelt – es ist der kleinste Quantencomputer der Welt. Trotzdem kann dieser optische Quantenrechner komplexe mathematische Aufgaben lösen, beispielsweise die Zerlegung einer Zahl in Primzahlen mithilfe des Shor-Algorithmus. Möglich wird dies, weil das Photon 32 Dimensionen in Form optischer Modi aufweist, die Daten verarbeiten und speichern können. Anders als gängige Quantencomputer kommt der Ein-Photon-Quantenrechner ohne Kühlung aus.

Paper: unfrei, also kein Open Access | Was bedeutet Open Access?

Älterer Post mit einer Einordnung dazu: [Kommentar] Der Nachweis der Quantenüberlegenheit ist Zeitverschwendung

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Google hat laut eigener Aussage erneut ein Problem gefunden, das Quantencomputer meistern, an dem aber die besten Supercomputer scheitern. Diese Forschung ist Zeitverschwendung, kommentiert Manon Bischoff.

Video: Understanding Logical Qubits with Quantinuum - Dauer: 2 min

Weiterführende Links:

• Paper: Demonstration of quantum computation and error correction with a tesseract code | PDF
• Microsoft and Quantinuum create 12 logical qubits and demonstrate a hybrid, end-to-end chemistry simulation
• How Microsoft and Quantinuum achieved reliable quantum computing

Ende der Kryptografie in Sicht? Bisher hält die Datenverschlüsselung der Rechenpower von Quantencomputern stand – doch das könnte sich bald ändern. US-Forscher haben jetzt eine Methode entwickelt, die das quantengestützte Knacken der gängigen RSA-Verschlüsselung schneller und effizienter macht. Statt Millionen von Qubits und fehlerfreien Quantenoperationen wie vom Shor-Algorithmus gefordert, reichen deutlich kleinere, weniger perfekte Quantencomputer. Droht das baldige Ende der RSA-Verschlüsselung?

Paper: Space-Efficient and Noise-Robust Quantum Factoring | PDF

Supraleitende Quantencomputer sind aufwendig anzusteuern. Chinesische Forscher wollen mit einer neuen Idee Millionen Qubits ermöglichen.

tl;dr von ChatGPT:

Forscher der Tsinghua-Universität in Beijing und des chinesischen Nationallabors in Hefei haben einen neuen Mikrowellengenerator für Quantencomputer entwickelt, der direkt in die Kühlkammer integriert wird. Dieser Generator benötigt nur einfache Steuersignale, die über ein kostengünstiges Twisted-Pair-Kabel übertragen werden können, was weniger Wärme erzeugt als herkömmliche Koaxialkabel. Er arbeitet mit einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät (SQUID) und einem koplanaren Wellenleiterresonator, um Mikrowellenphotonen zu erzeugen, die ideal für die Interaktion mit Qubits sind. Dies könnte die Effizienz und Skalierbarkeit von Quantencomputern verbessern.

Paper: A cryogenic on-chip microwave pulse generator for large-scale superconducting quantum computing | PDF

Paper: Scalable, high-fidelity all-electronic control of trapped-ion qubits | PDF

Älterer Post zum Thema:

• 56-Qubit-Rechner beweist Quanten-Überlegenheit mit bisher geringster Fehlerquote

Quanten-Supremat: Erneut hat ein Quantencomputer seine Überlegenheit gegenüber Supercomputern bewiesen – diesmal jedoch mit weit geringerer Fehlerquote als bei bisherigen Ansätzen. Der 56-Qubit-Rechner von Quantinuum knackte die Testaufgabe 100x effizienter und mit einer XEB-Zuverlässigkeitsquote von 35 Prozent – Googles „Sycamore“ erreichte 2019 bei der gleichen Aufgabe nur 0,2 Prozent. Möglich wurde dies dank neuer Quantenarchitekturen, die auf Fehlerarmut statt bloßer Erhöhung der Qubit-Zahlen ausgerichtet sind.

Video: Quantinuum System Model H2: 56 Qubits Challenging the World's Best Supercomputers -Dauer: 1 min

Original-Post auf feddit.de vom 12.12.2023.

Doppelter Durchbruch: Zwei Physikerteams ist es erstmals gelungen, Moleküle miteinander zu verschränken und zu kontrollierbaren Quantenbits zu machen. Die ultrakalten Calciummonofluorid-Moleküle wurden dafür einzeln in Laserpinzetten festgehalten und manipuliert. Auch ein erster molekularer Quantenschaltkreis aus zwei Qubit-Paaren gelang, wie die Forschenden in „Science“ berichten. Die Nutzung von Molekülen als Qubits erweitert die Möglichkeiten von Quantencomputern, aber auch anderen Quanten-Anwendungen.

Beide Papers sind unfrei 😠

Original-Post auf feddit.de vom 08.12.2023.

Mehrere Länder haben identische Exportkontrollen und Grenzwerte für Quantencomputer eingeführt. Die wissenschaftliche Grundlage sei unbekannt. Es gehe um die nationale Sicherheit.

New Scientist fragte bei Dutzenden von Ländern nach, was die wissenschaftliche Grundlage für die entsprechenden gesetzlichen Verbote für die Ausfuhr von Quantencomputern sei, aber man teilte ihnen mit, dass dies aus Gründen der nationalen Sicherheit geheim gehalten werde.

Auch wenn es sich vielleicht nach einer Verschwörungstheorie anhört, vermutet der New-Scientist-Autor eine mögliche geheime Absprache oder Diskussion unter den Regierungen. Dies würde erklären, warum identische Exportkontrollen für Quantencomputer eingeführt wurden.

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Diese Ergebnisse sind nicht nur aus Sicht der Quanten-Thermodynamik interessant. Auch für Quantencomputer ist dieses Wissen hilfreich, denn dort müssen Qubits möglichst lange bei tiefen Temperaturen gehalten werden. »Da sich unsere Ergebnisse auf das einfachste Quantensystem beziehen, tritt der Mpemba-Effekt höchstwahrscheinlich auch in größeren Quantensystemen wie Quantencomputern auf. In denen ist es wiederum entscheidend, eine niedrige Temperatur für lange Zeit aufrechtzuerhalten«, schreiben die Forscher in ihrer Veröffentlichung. Der inverse Quanten-Mpemba-Effekt könnte also zum Problem für Quantencomputer werden.

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In München haben Fachleute für Quantencomputing und Hochleistungsrechnen einen Hybriden aus beiden Gebieten geschaffen. Erstmals sei es gelungen, einen Quantenprozessor in einen Supercomputer zu integrieren, erklärten Projektverantwortliche vom Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) und vom finnisch-deutschen Start-up IQM. Erfolgreiche Testläufe hätten gezeigt, dass die beiden Technologien zusammen funktionierten. Das System namens Q-Exa soll demnächst für Forschungszwecke zugänglich gemacht werden.

Pressemitteilung LRZ: Deutschlands erster hybrider Quantencomputer am Leibniz-Rechenzentrum

Update:

Der Autor Yilei Chen hat sein Paper upgedatet und bekannt gegeben, dass Schritt 9 seines Algorithmus einen Fehler enthält, den er nicht beheben kann. Die mathematischen Probleme in Gitternetze bleiben also sicher: "Now the claim of showing a polynomial time quantum algorithm for solving LWE with polynomialmodulus-noise ratios does not hold".

Paper: Efficient Tensor Network Simulation of IBM’s Eagle Kicked Ising Experiment | PDF

Mittlerweile sind digitale Zahlungen aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Um solche Transaktionen vor Angriffen zu schützen, werden sie derzeit mithilfe von kryptografischen Methoden verschlüsselt. Auf der Suche nach absolut sicheren Bezahlvorgängen im Internet haben Forscherinnen und Forscher nun ein neues Protokoll auf Basis von Quantentechnologien entwickelt. Im Interview mit Welt der Physik berichtet Philip Walther von der Universität Wien, wie er und sein Team ihr neues Verfahren in Laborversuchen bereits erfolgreich getestet haben.

Neue Chancen: Bisher lassen sich Quantencomputer mit Ionen-Qubits nur schwer skalieren – doch das könnte sich nun ändern. Denn Physiker haben eine Methode gefunden, um die geladenen Teilchen mit statischen statt oszillierenden Feldern zu kontrollieren. Dies ermöglicht es, Ionen-Quantencomputer mit weit mehr Qubits als bisher zu entwickeln, und erweitert ihre Einsatzmöglichkeiten, wie die Forscher in „Nature“ berichten. Als Basis für diesen Fortschritt diente eine eigentlich schon bekannte Technik.

Paper: Penning micro-trap for quantum computing | PDF

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Seit mehr als einem halben Jahrhundert faszinieren aperiodische Kacheln etliche Mathematiker, Bastler und Forschende weiterer Bereiche. Jetzt haben zwei Physiker eine Verbindung zwischen aperiodischen Kachelungen und einem ganz anderen Zweig der Informatik entdeckt: die so genannte Quantenfehlerkorrektur. Diese beschäftigt sich mit Methoden, um zukünftige Quantencomputer vor Fehlern zu schützen. In einer noch nicht begutachteten Arbeit haben die Forscher im November 2023 gezeigt, wie man Penrose-Kacheln in eine völlig neue Art von Quantenfehlerkorrekturcode umwandeln kann. Zudem entwickelten sie ähnliche Verfahren, die mit zwei anderen aperiodischen Fliesen funktionieren.

Paper: The Penrose Tiling is a Quantum Error-Correcting Code | PDF

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In gewöhnlichen Computern oder anderen technischen Geräten fallen solche Fehler kaum auf, da die Informationen in mehrfacher Kopie vorliegen und dadurch recht robust gegen äußere Einflüsse sind. Forschende mahnten aber schon vor einigen Jahren, dass Quantencomputer unter dem Einfluss der außerirdischen Strahlung leiden könnten. Das haben nun zwei Forschungsteams unabhängig voneinander überprüft und kamen zu dem Ergebnis, dass zwischen einem Fünftel und einem Sechstel aller in Quantenberechnungen auftauchenden Fehler von kosmischer Strahlung verursacht wurde.

Paper 1: Synchronous Detection of Cosmic Rays and Correlated Errors in Superconducting Qubit Arrays | PDF

Paper 2: Direct evidence for cosmic-ray-induced correlated errors in superconducting qubit array | PDF

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Sehr langer Artikel, der sich leider nicht in wenige Worte zusammenfassen lässt.

Apple legt nun nach, was die Verschlüsselung von Nachrichten angeht, die mit iPhone, iPad oder Mac mit der Nachrichten-App (iMessage) versendet werden. Apple erweitert seinen Instant-Messaging-Dienst nun mit dem Post-Quantum-Kryptografieprotokoll namens PQ3.

Mitteilung von Apple: iMessage with PQ3: The new state of the art in quantum-secure messaging at scale

Spannender Durchbruch: Deutsche Physiker haben erstmals einen Quantenprozessor mit mehr als 1.000 atomaren Qubits in einer Ebene konstruiert – für atombasierte Quantencomputer ist dies ein neuer Rekord. Dies gelang durch eine neue Methode, die die bisherige Beschränkung der Laserleistung überwindet und die Kombination mehrerer Laser und optischer Pinzettenfelder erlaubt. Damit könnten nun auch noch größere Quantencomputer auf Basis ultrakalter Atome konstruiert werden.

Paper: Supercharged two-dimensional tweezer array with more than 1000 atomic qubits | PDF

Quantensprung für die Quantentechnologie? Physikern ist es gelungen, optomechanische Quantenprozesse sogar bei Raumtemperatur zu erzeugen und zu messen – statt wie bisher bei ultrakalten Temperaturen. Im Experiment sorgten mikrostrukturierte Spiegel und Resonator-Membranen für die Unterdrückung des thermischen Störrauschens. Dadurch arbeitete die „Quantenpresse“ für Licht auch bei Raumtemperatur. Diese Technik könnte auch andere Quantentechnologien praktikabler und einfacher anwendbar machen, so die Physiker in „Nature“.

Paper: Room-temperature quantum optomechanics using an ultralow noise cavity | PDF

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Mit einer neuen Technik hat ein Team vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik die bisher größten ultrakalten Moleküle erzeugt. Damit unterbieten sie den bisherigen Rekord um das 3000-fache.

Ultratiefe Temperaturen von wenigen Nanokelvin über dem absoluten Nullpunkt erlauben Fachleuten, exotische Materiezustände wie Bose-Einstein-Kondensate herzustellen und die Quanteneigenschaften von Atomen und ihre Wechselwirkungen im Rahmen chemischer Reaktionen zu untersuchen. Außerdem bieten sie Ansätze für spezialisierte Anwendungen wie Quantencomputer. Allerdings sind Atome für viele Versuche zu simpel – komplexere Moleküle bieten eine reichhaltigere interne Struktur mit komplexeren Quantenzuständen.

Zugehöriger Spektrum-Artikel vom 22.08.2023: Qubits aus ultrakalten Atomen erreichen nächsten Meilenstein